毕业设计（论文）-流量为280th的U形管式冷却器设计（全套图纸）

沈 阳 化 工 大 学 科 亚 学 院 本科毕业设计 题 目：流量为 280t/h U 形管式冷却器 专 业： 过程装备与控制工程 班 级： 过控 1201 学生姓名： 指导老师： 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 论文提交日期： 2016 年 5 月 30 日 论文答辩日期： 2016 年 6 月 6 日 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 专业：过程装备与控制工程 过控 1201 班 学生： 毕业设计（论文）题目：流量为 280t/h U 形管式冷却器 毕业设计（论文）内容：设计说明书一份； 绘制施工图折合 A1#图纸 5 张。 毕业设计（论文）专题部分： U 型管式换热器 起止时间：2016 年 3 月 2 日2016 年 5 月 23 日 指导教师： 签字 2016 年 3 月 1 日 摘要摘要 本次毕业设计使我认真的认识到了自己在本专业应学习的主要内容 以及短板，换热器的设计工作主要有换热器综述，换热器的工艺计算以 及结构强度计算。其中换热器工艺计算中需要根据初始数据计算其处理 量以及工艺参数，换热器的结构强度计算主要集中在折流板，筒体以及 开口上。 换热器是化学工艺生产中重要的设备之一，它是一种冷热流体间的 传递热量的设备，他们的使用条件和要求差别很大，如容量，温度，压 力和工作介质的性质等，涉及的种类很多，因此换热器的结构形式也多 种多样。U 形管换热器仅有一个管板，管束可从壳体内抽出，便于检修 和清洗，而且结构简单，造价便宜。U 形管换热器主要结构包括筒体， 封头，换热管，接管，折流板，防冲板，导流筒，防短路结构，支座和 管壳层的其他设备等。 本次设计为二类压力容器，设计温度和设计压力都较高，因此设计 要求就很高。换热器采用双管程，不锈钢换热管制造。设计中主要进行 了换热器的结构设计，强度设计及零部件的选型和工艺设计。 关键词关键词： U 形管换热器； 结构； 强度； 设计计算 Abstract Heat is one of the important chemical processes in production equipment, which is an apparatus for transferring heat between the hot and cold fluids, their conditions and requirements vary widely, such as the nature of capacity, temperature, pressure and working medium, etc. involving many different types, so the formal structure of the heat exchange are also diverse. U- tube heat exchange is only one tube sheet bundle can be withdrawn from the housing for easy maintenance and cleaning, simple cut structure, cheap cost. U- tube heat exchange comprises a main structure of the cylinder, head, heat transfer tubes, receivership, baffles, anti- red plate, draft tube, short- circuit proof structure, the shell bearings and other equipment tube and so on. The design for the second category pressure vessel, design temperature and design pressure are high, so the design requirements is high. Double tube heat exchange, heat transfer tubes of stainless steel manufacturing. Design mainly for the design, selection and process design and strength design of heat exchange components. KEYWOEDS:U- tube heat exchange; frame;intensity; design and calculation 目目 录录 第一章 换热器综述 . 1 引言 . 1 1.1 管式换热器 1 1.1.1 U 型换热器 2 1.1.2 填料式换热器 2 1.1.3 套管式换热器 . 3 1.1.4 管壳式换热器 . 3 1.1.5 螺旋槽管换热器 . 4 1.1.6 横纹管换热器 . 4 1.1.7 螺旋扁管换热器 . 4 1.1.8 螺旋扭曲管换热器 . 5 1.1.9 波纹管换热器 . 5 1.2 板式换热器 6 1.2.1.可拆式板式换热器 6 1.2.2 焊接式板式换热器 . 6 1.2.3 板壳式换热器 . 6 1.2.4 螺旋板式换热器 . 6 1.2.5 板翅式换热器 . 7 1.3 国内外开发研究的发展方向 7 1.3.1 非金属材料应用 . 7 1.3.2 计算流体力学和模型化设计在换热器中的应用 . 7 1.3.3 加强实验和理论研究 . 8 结语 . 8 参考文献 . 8 第二章 换热器传热工艺计算 . 9 2.1 起始数据 9 2.2 定性温度及确定其物性参数 9 2.3 热量守恒与油流量的计算 10 2.4 有效平均温度的公式计算 10 2.5 管程换热系数的计算 10 2.6 结构的初步设计 11 2.7 壳程换热系数计算 12 2.8 传热系数计算 13 2.9 管壁温度计算 13 2.10 壳程压力降计算 13 2.11 管程压力降计算 14 第三章 换热器强度计算 . 16 3.1 换热管材料及规格选择和根数的确定 16 3.2 管子的排列方式 16 3.3 筒体内径的确定 17 3.4 筒体厚壁的确定 17 3.5 液压试验 18 3.6 壳程标准椭圆形封头厚度的计算 18 3.7 管程标准椭圆形封头厚度的计算 19 3.8 容器法兰的选择 20 3.8.1 接管法兰的选择 . 21 3.9 管板的设计 22 3.10 管相短节壁厚的计算 24 3.11 拉杆和定距管的确定 25 3.12 折流板的选择 26 3.12.1 选型 . 26 3.12.2 折流板尺寸 . 26 3.12.3 换热管无支撑跨距或折流板间距 . 26 3.12.4 折流板厚度 . 26 3.12.5 折流板直径 . 26 3.12.6 折流板管孔直径 . 26 3.13 防冲板尺寸的确定 27 3.14 接管及开孔补强 27 3.14.1 管箱接管开孔补强计算 . 27 3.14.2 壳体接管开孔补强计算 . 29 3.15 分程隔板厚度选取 30 第四章 支座的设计及选择 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.1 支座的选择 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 换热器综述 1 第一章第一章 换热器综述换热器综述 引言引言 在现代工业快速发展的今天，在以能源为中心的环境以级生态等问题日益加剧。 世界各国都在在不断寻找新能源的目标，也更加密切地注重了节能新途径的研发。加 强传热技术的应用不仅能在节约能源、保护环境做出贡献，而且能大大的节约投资的 基本成本。换热器因为在化工，石油，在今天动力和原子能等工业部门的广泛应用的 同时，故换热器的换热强化传热技术从1987年以来备受到研究人员的模切重视，各种 换热器研究成果正在不断涌现。 随着科学和生产技术的不断发展的今天，各种各样的换热器层出不穷，难以对其 进行具体的、统一的划分。即便是如此，换热器仍然可以按它们的某些共同特征来加 以区分，具体如下：按照用途来分。预热器（或加热器）、冷却器、冷凝器、蒸发器 等。按照制造热交换器的材料来分。金属的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。 1按照温度状况来分：温度工况稳定的热交换器，热的流大小以及在指定热交换区域 内的温度不随时间而变；温度工况不稳定的热交换器，传热面上的热流和温度都随时 间改变；按照热流体与冷流体的流动方向来分：顺流式、逆流式、错流式、混流式； 按照传送热量的方法来分：间壁式、混合式、蓄热式等三大种类类；其中间壁的式换 热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换换热器，因此又称表面 式换热器，这类换热器应用最广；间壁式换热器可根据传热的面的结构不同可分为管 式和板面式。管式换热器也可以以管子表面作为传热面，包括套管式换热器和管壳式 换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅 式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等1。 1.1 管式换热器管式换热器 管式换热器主要分为套管式换热器和管壳式换热器，螺旋槽管换热器，横纹管换 热器，螺旋扁管换热器，螺旋扭曲管换热器， 波纹管换热器 2。如图1： 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 换热器综述 2 图1 固定管板式换热器 1.1.1 U 型换热器型换热器 U 型管换热器为管壳式换热器的一种。换壳式换热器大致分为固定管板式、釜式 浮头式、U 型管式、滑动管板式、填料函式及套管式等几种。根据介质的种类、压力、 温度、污垢和其他条件，管板与壳体的连接的各种结构型式特点，传热管的形状与传 热条件，造价，维修检查方便等情况来选择设计制造各种管壳式换热器。U 型管式换 热器与其他管壳式换热器的区别主要是管子呈 U 型。如图 2： 图 2 U 型管换热器 1.1.2 填料式换热器填料式换热器 对于一些腐蚀非常严重，温差比较大而且经常更换的冷却器，采用填料函式换热 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 换热器综述 3 器比采用 U 型管式换热器或者浮头式换热器优越的多。它是拥有浮头式换热器的优 点，又克服固定式换热器的缺点，结构比浮头式简单，制造方便，易于检修清洗。如 图 3： 图 3 填料式换热器 1.1.3 套管式换热器套管式换热器 套管式换热器是将不同直径的两根管子套成的同心套管作为元件、然后把多个 元件加以连接而成的一种换热器，工作时两种流体以纯顺流或纯逆流方式流动。套管 式换热器的优点是：结构简单，适用于高温、高压流体，特别是小容量流体的传热。 另外，只要做成内管可以抽出的套管，就可清除污垢，所以它也使用于易生污垢的流 体2。他的主要缺点是流动阻力大；金属消耗量多；管间接头较多，易发生泄露；并 且体积大，占地面积广，所以多用于传热面积较小的换热器。 1.1.4 管壳式换热器管壳式换热器 管壳式换热器又可以称为列管式换热器， 以封闭壳体中得管束的壁面传热作为传 热面的间壁式换热器，结构一般是由壳体，传热的管束、管板、折流板（挡板）和管 箱等部件组成的3。目前，国内外工业化工生产中所用的换热设备中应用广泛，管壳 式换热器人样占有主导地位，虽然它在换热效率上、换热器结构紧凑性上和材料金属 材料消耗等方面,不如其它新型的换热起换热设备，但它具有结构坚固的化热器，操 作弹性大，适应能力性强，可靠性高，选材范围广泛，处理流体能力大，能承受换热 器高温高压等的特点，所以在工程中仍得到了广泛英勇。以下边是几种常见的管壳式 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 换热器综述 4 强化换热器。如下图： 图4 管壳式换热器 1.1.5 螺旋槽管换热器螺旋槽管换热器 螺旋槽管是一种管壁上具有外凸和内凹的异形管，流体流出管壁时在管壁附近 诱发螺旋流动。层流层的减薄，与此同时壁表面起伏强化了流体湍流，加快了由壁面 到流体主体的热量传递，这样就强化了传热过程。 1.1.6 横纹管换热器横纹管换热器 1974 年前苏联首先提出横纹管，它是一种用普通圆管作毛胚，在管外壁经简单 滚轧出与轴线垂直的凹槽，同时在管内形成一圈突起的环肋。流体流经横纹管环槽处 能频频发生边界层分离而产生轴向旋涡，强化了流体湍流，旋涡不断生成，保持了连 续而稳定的强化作用3。横纹管在我国研究较少，只有华南理工大学对此进行了试验 研究，研究发现在相同流速下，横纹管流阻比单头螺旋槽管的小。 1.1.7 螺旋扁管换热器螺旋扁管换热器 螺旋扁管是瑞士公司Z最先提出的、美国Brown 公司经过一系列改进一种换热 管。这种传热管是用压扁和扭转两个管子的过程制做而成，管子截面和形状都因此发 生了明显的变化，因而液体也随之不断的改变方向和速度，使湍流能力加强，边界层 减薄，传热能力极大增强3。我国梁龙虎经实验研究得出，螺旋扁管管内膜传热系数 会通常比普通圆管大幅度提高，可在低雷诺数时最为明显，达23 倍；随着雷诺数 的连续大，通常也可提高传热系数50以上。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 换热器综述 5 1.1.8 螺旋扭曲管换热器螺旋扭曲管换热器 螺旋扭曲管换热器正是适应现代化生产的需要,在传统管壳式换热器的基础上开 发出来的一种新型高效节能的换热器。 本文主要采用数值模拟和试验研究的方法对螺 旋扭曲扁管换热器进行系统的研究,主要的研究工作如下: (1)将对流传热的场协同理 论和流路分析法应用于螺旋扭曲扁管换热器管、壳程传热与流阻特性研究,并和弓形 折流板换热器相比较。 表明螺旋扭曲扁管换热器管程和壳程流体均产生以旋转为主要 特征的复杂流动,获得较强的旋转扰动,从而较大程度地强化了传热过程。因为壳程没 有折流板,壳程不存在流动死区,壳程的流动阻力较小,同时也不易结垢。换热管之间保 持点接触而且壳程流体主要作纵向流动,能很好地克服诱导振动,提高了其操作的可靠 性。如下图： 图 5 螺旋扭曲管换热器 1.1.9 波纹管换热器波纹管换热器 近年来，螺旋式扭曲管的自造引起了国内外学者极大的关注。美国期刊杂志报 道过了一种高效率的换热器，其换热管是吧螺旋式扭转成弯曲的管，两端承圆形，管 子与管子再椭圆长轴处相互接触，相互支撑取消了支撑的折流板的则流作用，这样不 仅可以保证装置的抗震能力，而且流体在换热器管程和壳程都会因此发生旋流作用 4。 波纹管换热器强化传热机理与螺旋扁管相一致。波纹管能起到温差相互补偿作 用，因此省掉了壳体膨胀节；由于温差应力的作用，换热管可以有能力自动去掉表面 污垢，使管表面不易因此而产生污垢，具有强化传热和除垢的双重功效，而且结构简 单紧凑，容易制造，投资少，热率高，故广泛应用于汽- 水、水- 水换热领域4。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 换热器综述 6 1.2 板式换热器板式换热器 板式换热器主要分为可拆式板式换热器，焊接式板式换热器，板壳式换热器， 螺旋板式换热器，板翅式换热器。 1.2.1.可拆式板式换热器可拆式板式换热器 可拆式板式换热器是将薄的金属板片冲压成为凸凹状， 周边张贴合成橡胶类的密 封垫片。Laval 公司的“按扣” 式垫片，垫片直接扣压在板片上；GEA 公司的板片， 板片槽口上窄底宽呈梯形，垫片与板片槽过盈配合将垫片压紧。可拆式板式换热器便 于拆卸清洗，增减换热器面积灵活，在供热工程中使用较多1。但是，一般的可拆卸 式板式换热器由于本身结构的局限性，使用压力不超过 2.5MPa，使用温度不超过 250，此外还存在流体与密封垫片的相容性问题。 1.2.2 焊接式板式换热器焊接式板式换热器 用焊接结构来替代橡胶垫来密封型，不仅在结构上消除了垫片因为材料耐温、耐 腐蚀、耐压方面的限制。焊接式板使换热器的组焊板片内部原件不能用机械方法的清 洗，且全焊式只可以用于不易结构的介质进行流通换热，其最大的有点就是可以成手 较高温度和压力，没有垫片泄漏的问题。焊接式板式换热器近写年来获得了很大的发 展，在德国与日本合作的千代本田BAVARIA 混合焊接板式换热器的有点得到发展， 操作压力可以从真空状态到6MPa，到单元换热面积可以达到 2 1480m 以上。 1.2.3 板壳式换热器板壳式换热器 欧美发达国家从20 世纪80 年代开始便竞相开发和研制各种型式的板壳式换热 器。板壳式换热器的基本结构与板式换热器相似，但板间距增大，取消了垫片，改用 焊接法连接各板，形成通道。板壳式换热器最适合于介质清沽、换热量大和压降小的 场合。 1.2.4 螺旋板式换热器螺旋板式换热器 螺旋板式换热器在国外较早使废气中的能量等， 螺旋板式换热器的构造包括螺旋 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 换热器综述 7 形传热板、隔板、头盖和连接管等基本部件。流体在螺旋形流道内的流动所产生的离 心力，使流体在流道内外侧之间形成二次环流，增加扰动。螺旋板式换热器具有体积 小、效率高、制造简单、成本较低、能进行地温差换热等优点，如今螺旋板式换热器 在我国已形成规模，国家已制定了配套的技术标准，设计制造技术在我国业已成熟。 1.2.5 板翅式换热器板翅式换热器 在 20 世纪30 年代，板翅式换热器Z最开始是在先进国家被用在发动机散热上， 它是板束单元结构，由翅片隔板和封条三个部分组成。我国是从20 世纪60 年代初开 始制造板翅式换热器的，原先是用于水分制氧，制做了我国第一套板翅式空分设备制 造机。板翅式换热器由于器结构紧凑、轻巧、传热强度高等等特点，被认为是最有发 展钱途的新型换热器设备之一。 1.3 国内外开发研究的发展方向国内外开发研究的发展方向 1.3.1 非金属材料应用非金属材料应用 非金属材料在一定的适应范围内具有金属材料不可能比拟的特殊优点。 比如石墨 材料具有良好的导电性能、导热性能，较高的化学稳定性能和良好的机加工性能，氟 塑料具有特别优良的抗耐腐蚀性5。氟塑料耐腐蚀性能极强，并且与金属材料相比还 具有成本上的价格优势。在复合材料中比如搪瓷玻璃具有良好的抗腐蚀性能、优良的 耐磨性、电绝缘性以及表面光滑不已粘附物料等优点，已经在制作换热产品等方面应 用。陶瓷材料具有优异的耐腐蚀性、耐高温性能而引起功业界的高度重视，已经在换 热铲品的制造中得到应用。 1.3.2 计算流体力学和模型化设计在换热器中的应用计算流体力学和模型化设计在换热器中的应用 在换热器的冷热流体分析计算中，引入计算机科学技术，对换热器中介质的复杂 流动过程进行定量的数学模拟仿真计算。 目前基于计算机技术的热流已经分析用于自 然对流、剥离流、振动流和湍流热传导等的直接嗜血模拟计算等方面。在此基础上， 在换热器的数学模型设计和实体开发中， 利用CFD的数学分析结果和相对应的实体模 型实验数据，使用计算机对换热器进行更为精确和细致的设计。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 换热器综述 8 1.3.3 加强实验和理论研究加强实验和理论研究 采用更加先进的计算仪器来精确测量换热器的流畅分布和温度场分布， 并结合经 验分析计算，进一步摸清不同结构下的强化传热机理。采用数学模拟方法对换热器内 液体流动和传热机理进行研究，预测各种结构下的对流场传热过程的影响5。比如利 用振动、电场方法强化传热的机理研究、试验研究，给出试验数据，提出理论数学模 型，对换热器进行有理技术研究。为达到管壳程强化的目的，强化结构组合研究将成 为近来各国传热强化技术研究的大体发展方向。 结语结语 经过两个多月的时间，我的毕业设计已经接近尾声。在刚刚接到毕业设计的题目 时的一无所知，到现在毕业设计的成熟，我经历了大学四年里前所未有的挑战。毕业 设计是我对本专业的学习内容以及技能都有了一个前所未有的熟悉。 也是我大学生活 结束的最后一块试金石，我接受住了挑战，完成了毕业设计。会在未来的工作是自己 更加的有能力。本次毕业设计也让我认识到自己的不足和认识不全面深刻的地方，首 先是在对工艺产品的强度计算上有很大的认识全面，公式运用不熟练。再者就是自己 对语言总结上有很大的缺陷，我会在以后的学习和生活中认真的对待自己的工作，努 力的提高自己。 参考文献参考文献 1郑津洋等,过程装备设计M.北京:化学工业出版社,2013.8: 229- 294. 2张立强,张及瑞,杨春光,等.当代国内外高效传热设备发展现状J,无机化工信 息,2003(3):14- 17. 3马晓驰.国内外新型高效换热器J.化工进展,2001(1):49- 51. 4李安军,邢桂菊,周丽雯.换热器强化技术的研究进展J.冶金能源,2008,27(1):50- 54. 5朱跃钊,廖传华,史勇春.传热过程与设备M.北京:中国石化出版社,2008:51- 160. 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 换热器传热器工艺计算 9 第二章第二章 换热器传热工艺计算换热器传热工艺计算 2.1 起始数据起始数据 壳程油的进口温度： ， 1 t =130 壳程油的出口温度： , , 1 t =85 壳程油的工作压力：P1=1. 5MPa 壳程油的流量：G1=280ht 管程水的进口温度： , 2 t =20 管程水的出口温度： , , 2 t =80 管程水的工作压力：P2 =2.2MPa 2.2 定性温度及确定其物性参数定性温度及确定其物性参数 壳程（煤油） 壳程油的定性温度：t1=107.5 查表得壳程煤油的密度：1=800Kg/m3 查表得壳程油的比热：Cp1=2.1Kg/(Kg) 查表得壳程油的导热系数：1=0.15w/(m) 壳程油的粘度：1=493.710- 6Pas 查表得壳程油的普朗特系数：Pr1=42 管程（水） 管程水的定性温度：t2=50 查表得管程水的密度：2=998Kg/m3 查表得管程水的比热：CP2=4.174Kg/(Kg) 查表得管程水导热系数：2=64.78w/(m) 查表得管程水的粘度：2=549.410- 6Pas 查表得管程水的普朗特系数：Pr2=3.54 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 换热器传热器工艺计算 10 2.3 热量守恒与油流量的计算热量守恒与油流量的计算 假定取热交换效率为 =0.98 其设计传热量： Q0=G1Cp1( , 1 t , , 1 t )1000/3600 =2800002.1(13085)0.981000/3600 =650560.44W 则管程水流量为： G2= )( , 1 , , 1 2 0 ttC Q p = ）（20-80174. 4 44.650560 =1476.t/h 2.4 有效平均温度的公式计算有效平均温度的公式计算 tn= )ln )()(t- , 1 , , 2 , , 1 , 2 , 1 , , 2 , , 1 , 2 tt tt ttt （ = ) 13080 8520 ln( )13080()8520( =57.17335 其中有关参数的计算 参数：P= , 1 , 2 , 1 , , 1 tt tt = 8580 85130 =0.55 参数：R= , 1 , , 1 , , 2 , 2 tt tt = 85130 8020 =0.75 冷却器按照单壳程双管程设计差 管程式换热器原理与设计 得温差校正系数 =0.85 有效平均温差：tm=tn=0.8557.17335=48.597 2.5 管程换热系数的计算管程换热系数的计算 采用试算的方式计算换热系数 初选换热系数为 K0=560w/mk 则可得出下列数据： 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 换热器传热器工艺计算 11 初选传热面积;F0= mtK Q 0 0 = 597.48500 44.650560 =1 96.438m2 选用 252.5 的无缝钢管做换热管 管子外径为：d0=25mm 管子内径为：di=20mm 管子长度为：L=6000mm 则需要换热管数为: t N = Ld F 0 0 = 6025. 014. 3 438.196 =417 根 可取换热管根数为 420 根 管程流通面积: 2 a = 42 2 it dN 4 02. 0 14. 3 2 420 2 =0.09875 管程流速: 2 w = 22 2 3600a G = 09875 . 0 9983600 5 . 38348 =0.108m/s 管程雷诺: 2 eR= 222 / i dw=9980.1080.02/549.410- 6=3923.699 则管程传热系 数:2= 4 . 0 2 8 . 02 PrRe023 . 0 d =0.023 02 . 0 78.64 3923.6990.83.540.4=92618.24 2.6 结构的初步设计结构的初步设计 查 GB151- 1999管壳式换热器可知，管间距按照 1.25 0 d 选取： 管间距: s = 1.25d0 = 1.250.025 = 0.032m 管束中心排管数: C N =1.1 t N =1.1420=22.588 根，取 23 根 则壳体内径为: i D = 0 d4) 1(+ C Ns=25.0041-2832.00+）（=0.964m 圆整为: i D =1000 则长径比: i D L = 1 6 = 6，在 4- 6 之间，合理。 折流板选择弓形折流板: 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 换热器传热器工艺计算 12 折流板弓高: i D25 . 0 h =.25m01.250= 折流板间距: 3 i D B = m33 . 0 3 1 = 折流板数量:1= B L Nb=171 33 . 0 6 =块 取 16 块 2.7 壳程换热系数计算壳程换热系数计算 壳程流通面积:=)1 (f 0 1 s d BDi 2 .0722m0 32.00 25.00 -11.330=）（ 壳程流速:= 11 1 1 3600f G sm/1.3466 0722 . 0 8003600 280000 = 壳程质量流速: 111 =W=1.3466800=1077.25smKg 2 / 壳程当量直径:= + = 0 2 0 2 dND dND d ti ti e m0363 . 0 025 . 0 6291 025 . 0 6291 22 = + 壳程雷诺数:56.79208 10 7 . 493 0363 . 0 1.3466800 Re 6 1 11 1 = = e dw 根据3 . 0 1 3 . 0 1 = D h ，切去弓形面积所占的比例，可查得为 0.145 根据管壳式换热器原理与设计图 2- 12 查得壳程传热因子：330= s j 管外壁温度假定值为 100，壁温下油粘度： 1 =0.0004937sPa 粘度修正系数:985 . 0 ) 10 4 . 495 10493.7 ()( 14. 0 6 6 14 . 0 1 1 1 = = 壳程换热系数:94.46683300.985)42( 0363 . 0 0.15 Pr d 3 1 1 3 1 1 1 1 = s e j 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 换热器传热器工艺计算 13 2.8 传热系数计算传热系数计算 查 GB151- 1999管壳式换热器第 138 页可知 水侧污垢热阻: 1 r =)/m(1017.6 25 wC 油侧污垢热阻为: 2 r =)/m(1017.6 25 wC 由于管壁比较薄，所以管壁的热阻 可以忽略不计，可得总传热系数为： ii j d d d d rr K 0 2 0 21 1 11 1 + = = + = 20.00 25.00 92618.56 1 20.00 25.00 1017.61017.6 4668.94 1 1 55 612 传热面积比为: 0 K Kj = 1.09 560 612 = （合理） 2.9 管壁温度计算管壁温度计算 管外壁热流密度计算: ldN Q q t0 0 1 = = )/(w185.24313 6025 . 0 4.13629 7203000 2 Cm = 管外壁温度: 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 = 78.97)1017.6 4669 1 (185.24313 5 . 107 5 =+ 误差校核:22 . 2 78.97100 1 1 = ww tte，误差不大，合理。 2.10 壳程压力降计算壳程压力降计算 参考换热去设计手册1- 3- 75： 14 . 0 2 2 816 . 0 = w oso be fs uP l L d Di JPs 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 换热器传热器工艺计算 14 由 1 Re =79209，查图 1324 得壳程压强摩擦因子 fs J =0.04 其中： 壳体内径 i D =1.0m； 管子长度 L=6m； 折流板间距 b l =0.33m； 流体密度1=800 3 /mKg； 流体粘度 10 =493.7sPa 6 10； 管外流体壁温 107.5下粘度 w =0.0005494sPa； 则壳程压强PaPs2783 10150 10910 2 776 . 0 810 33 . 0 6 04 . 0 2 . 1 04 . 0 816 . 0 14 . 0 6 62 = = s P0.05 1 P ，符合压强计算。 2.11 管程压力降计算管程压力降计算 参考换热器设计手册公式 1- 3- 47： 管程压强：() snsptrl NPNNFPPPi+= 其中 ： l P直管压降； r P回弯压降； P管箱进出口压降； t F结构校正系数， t F =1.4； s N 串联的壳程数， s N =1； p N 管程数， p N =2； = 2 2 ii i il d L P 其中0359 . 0 9074 7543 . 0 01227 . 0 Re 7543 . 0 01227 . 0 38 . 0 38 . 0 2 =+=+= i 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 换热器传热器工艺计算 15 PaPl590 2 332 . 0 994 02 . 0 6 0359 . 0 2 = = 则PaP ii r 3 . 164 2 332 . 0 994 3 2 3 22 = = PaP i n 2 . 82 2 332 . 0 994 5 . 1 2 5 . 1 22 = = = 即()PaNPNNFPPPi snsptrl 21941 2 . 82124 . 1) 3 . 164590(=+=+= Ps0.05 2 P ，符合压强条件。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 换热器强度计算 16 第三章第三章 换热器强度计算换热器强度计算 3.1 换热管材料及规格选择和根数的确定换热管材料及规格选择和根数的确定 序号 项目 符号 单位 数据来源及计算公式 数值 1 换热管外径 0 d mm GB151- 1999管壳式换热器 25 2 管长 l mm GB151- 1999管壳式换热器 6000 3 传热面积 s 2 m 管壳式换热器设计原理 m tK Q A = 1946 4 换热管根数 N 个 ld A N 0 = 417 3.2 管子的排列方式管子的排列方式 序号 项目 符号 单位 数据来源及计算公式 数值 1 正三角形 GB151- 1999 图 11 2 换热管中心距 S mm GB151- 1999 表 12 32 3 隔板槽两侧相邻管中 心距 n S mm GB151- 1999 表 12 100 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 换热器强度计算 17 3.3 筒体内径的确定筒体内径的确定 序号 项目 符号 单位 数据来源及计算公式 数值 1 换热管中心距 S mm GB151- 1999 表 12 32 2 换热管根数 t N 根 t A N dL = 417 3 分程隔板厚 mm 10 4 管束中心排管根数 c N 根 1.1 ct NN= 22 5 筒体内径 i D mm ()14 ico DS Nd=+ 1000 8 实取筒体公称直径 N D mm JB/T4737- 1995 1000 3.4 筒体厚壁的确定筒体厚壁的确定 序号 项目 符号 单位 数据来源及计算公式 数值 1 工作压力 P MPa 给定 2.2 2 筒体材料 GB150- 2011 钢制压力容器 Q345R 3 设计温度下筒体材料 的许用应力 t MPa GB150- 2011 钢制压力容器 181 4 焊接接头系数 过程装备设计 0.85 5 壳程设计压力 c P MPa PPc1 . 1= 2.42 6 筒体设计厚度 mm c t icD = 2 7.927 7 设计厚度 d mm 2d C=+ 8.027 8 名义厚度 n mm GB151- 1999 项目 5.3.2 10 9 负偏差 1 C mm 过程装备设计 0 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 换热器强度计算 18 10 腐蚀裕量 2 C mm 过程装备设计 2 11 有效厚度 e mm 21 CC ne = 10 12 设计厚度下圆筒的计 算应力 t MPa () 2 t cie e P D + = 158.33 13 校核 t t=134.58MPa 合格 14 设计温度下圆筒的最 大许用工作压力 w P MPa )( 2 ei t e w D P + = 3.052 3.5 液压试验液压试验 序号 项目 符号 单位 根据来源及计算公式 数值 1 实验压力 T P MPa 1.25 c T t P P = 2.0625 2 圆筒薄膜应力 t MPa e eiTt DP 2 )(+ = 138.56 3 校核 MPa s t 975.2409 . 0= 合格 3.6 壳程标准椭圆形封头厚度的计算壳程标准椭圆形封头厚度的计算 序号 项目 符号 单位 数据来源和计算公式 数值 1 设计压力 c P MPa 1.1 c PP= 1.54 2 封头材料 GB150- 2011钢制压力 容器 Q345R 3 设计温度下许用压 力 t MPa GB151- 1999 项目 5.3.2 181 4 焊接接头系数 过程装备设计 0.85 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 换热器强度计算 19 5 标准椭圆封头计算 厚度 mm 20.5 ci t c D = 7.89 6 设计厚度 d mm 2d C=+ 9.89 7 名义厚度 n mm GB151- 1999管壳式 换热器 10 8 有效厚度 e mm 21 CC ne = 8 9 设计厚度下封头的 计算应力 t MPa () 2 t cie e P D + = 138.33 10 校核 s t 9 . 0 合格 11 设计温度下封头的 最大许用工作压力 w P MPa )5 . 0( 2 ei t e w D P + = 2.78 12 P w P 合格 根据JB/T4737- 95 得：公称直径为 N D =1000mm 曲面高度为 1 h =250mm 直边高度为 2 h =40mm 3.7 管程标准椭圆形封头厚度的计算管程标准椭圆形封头厚度的计算 序号 项目 符号 单位 数据来源和计算公式 数值 1 设计压力 c P MPa 1.1 c PP= 2.42 2 材料 GB150- 2011 钢制压力容器 Q345R 3 设计温度下许用应力 t MPa GB150- 2011 钢制压力容器 181 4 焊接接头系数 mm 过程装备设计 0.85 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 换热器强度计算 20 5 封头计算厚度 mm c t icD = 5 . 02 7.89 6 设计厚度 d mm 2d C=+ 9.22 7 名义厚度 n GB151- 1999 项目 5.3.2 10 8 有效厚度 e mm 21 CC ne = 8 9 设计厚度下封头的最 大许用工作压力 t MPa () 2 t cie e P D + = 147.77 10 校核 s t 9 . 0 合格 11 设计温度下封头的最 大许用工作压力 Pw MPa )5 . 0( 2 ei t e D Pw + = 2.30 12 P w P 合格 根据JB/T4737- 95 得：公称直径为 N D 1000mm 曲面高度为 1 h =250mm 直边高度为 2 h =40mm 3.8 容器容器法兰法兰的选择的选择 按其条件 N D =1000mm 设计温度107 设计压力 2.5MPa由压力容器法兰选择长 颈对焊法兰，相关参数如下： 符号 单位 数值 D mm 1195 1 D mm 1140 2 D mm 1098 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 换热器强度计算 21 3 D mm 1088 4 D mm 1085 mm 68 H mm 155 h mm 42 mm 21 1 mm 18 1 mm 20 2 mm 32 R mm 15 d mm 30 螺栓规格 M27 螺栓数量 个 36 最小厚度 mm 14 根据压力容器法兰选取相应垫片：根据JB/T47042000选取非金属软垫片，其相 应尺寸为：D=1087m, d=1037mm. 厚度=3mm. 3.8.1 接管法兰的选择接管法兰的选择 （1）接管 a,b 的公称直径相同设为 d，设进口流速为 0.108 s m 则mm G d18.182 99814 . 3 5 . 13600 138.28764 5 . 13600 4 2 2 2 = = = 则公称直径mmdN200 2 = 公称压力 aN MPP5 . 2 2 = 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 换热器强度计算 22 根据钢制管法兰，垫片，紧固件，选择板式平焊法兰，相关的参数如下表： N D A D K L n h T C N s 1 H R H 法 兰 理 论 重 量 （Kg） 200 219 360 310 26 12 M24 32 244 6.3 16 8 80 17.4 （2）接管 c , d 的公称直径相同设为 d，设进口流速为 0.1 s m mm G d 5 . 245 80014 . 3 5 . 13600 2800004 13600 4 1 1 1 = = = 则公称直径mmdN300 2 = 公称压力 aN MPP6 . 1 2 = 根据钢制管法兰，垫片，紧固件，选择板式平焊法兰，相关的参数如下表： N D A D K L n h T C N s 1 H R H 法 兰 理 论 重 量 （Kg） 200 225 315 350 33 16 M30 32 298 7.1 18 12 88 24 3.9 管板的设计管板的设计 序号 项目 符号 单位 数据来源和计算公式 数值 1 沿隔板槽一侧 的排管数 n 个 28 2 换热管中心距 S mm GB151- 1999管壳式换热器 32 3 隔板槽两侧相 邻管中心距 Sn mm GB151- 1999管壳式换热器 100 4 布管区内未能 被管支撑的面 积 d A 2 mm () 0.866 d An S SnS= 499654.7 5 管板布管区面 t A 2 mm 2 0.866 td AnSA=+ 882745.4 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 换热器强度计算 23 积 6 管板布管区当 量直径 t